#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/asio/posix/stream_descriptor.hpp>
#include <iostream>
#include <sys/eventfd.h>
#include <unistd.h>

/**
 * EventFD 在 Boost.Asio 中的内部机制解释
 * ======================================
 * 
 * 本文件通过代码和注释解释eventfd在Boost.Asio中的工作原理和内部使用机制
 */

using namespace boost::asio;

/**
 * 1. EventFD 基础知识
 * 
 * EventFD是Linux内核提供的一种轻量级的事件通知机制，特点：
 * - 是一个文件描述符，可以用于select/poll/epoll
 * - 内核维护一个64位计数器
 * - 写入操作会增加计数器的值
 * - 读取操作会返回计数器的值，并将计数器重置为0
 * - 比管道(pipe)更高效，占用更少的资源
 */
void explain_eventfd_basics() {
    std::cout << "\n=== EventFD 基础机制 ===" << std::endl;
    
    // 创建eventfd
    int efd = eventfd(0, EFD_CLOEXEC | EFD_NONBLOCK);
    if (efd == -1) {
        perror("eventfd");
        return;
    }
    
    std::cout << "EventFD 文件描述符: " << efd << std::endl;
    
    // 写入事件
    uint64_t write_value = 42;
    ssize_t written = write(efd, &write_value, sizeof(write_value));
    std::cout << "写入值: " << write_value << ", 写入字节数: " << written << std::endl;
    
    // 读取事件
    uint64_t read_value = 0;
    ssize_t read_bytes = read(efd, &read_value, sizeof(read_value));
    std::cout << "读取值: " << read_value << ", 读取字节数: " << read_bytes << std::endl;
    
    close(efd);
}

/**
 * 2. Boost.Asio 中的 EventFD 使用
 * 
 * Asio使用eventfd主要在以下场景：
 * - reactor模式中的事件循环中断
 * - 跨线程的异步操作通知
 * - 取消操作的实现
 */

class AsioEventfdInternals {
private:
    io_context io_;
    posix::stream_descriptor descriptor_;
    int eventfd_;
    
public:
    AsioEventfdInternals() : descriptor_(io_) {
        // 创建eventfd，这与Asio内部的做法相同
        eventfd_ = eventfd(0, EFD_CLOEXEC | EFD_NONBLOCK);
        if (eventfd_ == -1) {
            throw std::runtime_error("Failed to create eventfd");
        }
        
        // 将eventfd绑定到stream_descriptor
        descriptor_.assign(eventfd_);
    }
    
    ~AsioEventfdInternals() {
        if (eventfd_ != -1) {
            close(eventfd_);
        }
    }
    
    /**
     * 模拟Asio内部的中断机制
     * 当需要唤醒事件循环时，Asio会向eventfd写入数据
     */
    void demonstrate_interrupt_mechanism() {
        std::cout << "\n=== Asio 中断机制演示 ===" << std::endl;
        
        // 设置异步读取监听
        auto buffer = std::make_shared<uint64_t>();
        descriptor_.async_read_some(
            boost::asio::buffer(buffer.get(), sizeof(*buffer)),
            [buffer](const boost::system::error_code& ec, std::size_t bytes) {
                if (!ec) {
                    std::cout << "检测到中断信号，值: " << *buffer << std::endl;
                } else {
                    std::cout << "读取错误: " << ec.message() << std::endl;
                }
            }
        );
        
        // 启动IO服务在另一个线程
        std::thread io_thread([this]() {
            std::cout << "IO线程开始运行..." << std::endl;
            io_.run();
            std::cout << "IO线程结束" << std::endl;
        });
        
        // 主线程等待一段时间后发送中断信号
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
        
        std::cout << "发送中断信号..." << std::endl;
        uint64_t interrupt_value = 1;
        write(eventfd_, &interrupt_value, sizeof(interrupt_value));
        
        // 等待IO线程完成
        if (io_thread.joinable()) {
            io_thread.join();
        }
    }
    
    /**
     * 演示eventfd的水平触发特性
     * 在epoll模式下，eventfd是水平触发的
     */
    void demonstrate_level_triggered() {
        std::cout << "\n=== EventFD 水平触发特性 ===" << std::endl;
        
        // 先写入一些数据
        uint64_t value1 = 10;
        uint64_t value2 = 20;
        write(eventfd_, &value1, sizeof(value1));
        write(eventfd_, &value2, sizeof(value2));
        
        std::cout << "写入了两个值: " << value1 << " 和 " << value2 << std::endl;
        std::cout << "EventFD中的累计值应该是: " << (value1 + value2) << std::endl;
        
        // 读取数据
        uint64_t read_value = 0;
        ssize_t bytes_read = read(eventfd_, &read_value, sizeof(read_value));
        
        if (bytes_read == sizeof(read_value)) {
            std::cout << "一次读取到的值: " << read_value << std::endl;
        }
    }
};

/**
 * 3. EventFD vs 其他IPC机制的比较
 */
void compare_ipc_mechanisms() {
    std::cout << "\n=== EventFD vs 其他IPC机制 ===" << std::endl;
    
    std::cout << "1. EventFD vs Pipe:" << std::endl;
    std::cout << "   - EventFD: 只需1个文件描述符，内核维护计数器" << std::endl;
    std::cout << "   - Pipe: 需要2个文件描述符(读端和写端)" << std::endl;
    std::cout << "   - EventFD更节省资源，适合简单的事件通知" << std::endl;
    
    std::cout << "\n2. EventFD vs Condition Variable:" << std::endl;
    std::cout << "   - EventFD: 可以与select/poll/epoll集成" << std::endl;
    std::cout << "   - Condition Variable: 只能在用户态使用" << std::endl;
    std::cout << "   - EventFD适合事件驱动的异步编程" << std::endl;
    
    std::cout << "\n3. EventFD vs Signal:" << std::endl;
    std::cout << "   - EventFD: 可靠，不会丢失事件" << std::endl;
    std::cout << "   - Signal: 可能被合并，导致事件丢失" << std::endl;
    std::cout << "   - EventFD提供准确的计数" << std::endl;
}

/**
 * 4. Asio中EventFD的实际应用场景
 */
void explain_asio_usage_scenarios() {
    std::cout << "\n=== Asio中EventFD的应用场景 ===" << std::endl;
    
    std::cout << "1. Reactor中断 (eventfd_select_interrupter):" << std::endl;
    std::cout << "   - 当需要从其他线程中断事件循环时" << std::endl;
    std::cout << "   - 比如调用io_context::stop()时" << std::endl;
    
    std::cout << "\n2. 异步操作取消:" << std::endl;
    std::cout << "   - 取消定时器、I/O操作时的信号通知" << std::endl;
    std::cout << "   - 提供可靠的取消机制" << std::endl;
    
    std::cout << "\n3. 线程池任务分发:" << std::endl;
    std::cout << "   - 通知工作线程有新任务可处理" << std::endl;
    std::cout << "   - 实现高效的任务队列" << std::endl;
    
    std::cout << "\n4. 跨线程的异步完成通知:" << std::endl;
    std::cout << "   - 当异步操作在不同线程完成时" << std::endl;
    std::cout << "   - 通知主事件循环处理结果" << std::endl;
}

/**
 * 5. 性能考虑和最佳实践
 */
void performance_considerations() {
    std::cout << "\n=== 性能考虑和最佳实践 ===" << std::endl;
    
    std::cout << "1. EventFD的性能优势:" << std::endl;
    std::cout << "   - 系统调用开销小" << std::endl;
    std::cout << "   - 内存占用少" << std::endl;
    std::cout << "   - 与epoll高效集成" << std::endl;
    
    std::cout << "\n2. 最佳实践:" << std::endl;
    std::cout << "   - 使用EFD_NONBLOCK避免阻塞" << std::endl;
    std::cout << "   - 使用EFD_CLOEXEC避免文件描述符泄露" << std::endl;
    std::cout << "   - 合理设计事件的粒度，避免过度通知" << std::endl;
    
    std::cout << "\n3. 注意事项:" << std::endl;
    std::cout << "   - EventFD是Linux特有的，不可移植" << std::endl;
    std::cout << "   - 在其他平台上Asio会使用pipe作为后备方案" << std::endl;
    std::cout << "   - 计数器可能溢出(虽然64位很难溢出)" << std::endl;
}

int main() {
    try {
        std::cout << "EventFD 在 Boost.Asio 中的内部机制" << std::endl;
        std::cout << "===================================" << std::endl;
        
        // 基础机制说明
        explain_eventfd_basics();
        
        // Asio内部机制演示
        AsioEventfdInternals internals;
        internals.demonstrate_interrupt_mechanism();
        internals.demonstrate_level_triggered();
        
        // 机制比较
        compare_ipc_mechanisms();
        
        // 应用场景
        explain_asio_usage_scenarios();
        
        // 性能考虑
        performance_considerations();
        
        std::cout << "\n=== 总结 ===" << std::endl;
        std::cout << "EventFD是Boost.Asio在Linux平台上实现高效事件通知的关键机制。" << std::endl;
        std::cout << "它被广泛用于reactor模式的中断、异步操作取消、线程间通信等场景。" << std::endl;
        std::cout << "通过posix::stream_descriptor，用户也可以直接使用eventfd实现自己的事件通知机制。" << std::endl;
        
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "错误: " << e.what() << std::endl;
        return 1;
    }
    
    return 0;
}
